儲能技術融合分布式可再生能源的現狀及發展趨勢

儲能技術融合分布式可再生能源的現狀及發展趨勢

發布時間：2016-08-04   來源：電氣應用雜誌

　　中國電力科學研究院的研究人員李建林、馬會萌、惠東指出，分布式發電能夠充分利用可再生能源實現節能減排，是集中式發電的有效補充，利用儲能系統的雙向功率能力和靈活調節特性可以提高系統對分布式電源的接納能力，具有廣闊的應用前景。

　　首先匯總了多種主流儲能技術目前在電力系統中的應用規模及其本體關鍵參數，並從儲能設備自身特點和電力系統對儲能的需求出發，分析各儲能技術的優勢和不足，提出了可能突破的方向及發展預期。

　　然後從應對分布式可再生能源大量接入給電網帶來的問題出發，歸納了儲能技術在融合分布式可再生能源方面的應用模式，分析了國內外的應用現狀及不足，最後從本體發展和應用技術層面探討了儲能技術的未來發展方向。

　　分布式發電能夠充分利用可再生能源，是實現節能減排目標的重要舉措，也是集中式發電的有效補充。作為第三次工業革命的重要特徵之一，分布式發電尤其是分布式光伏發電飛速發展，至2014年底，我國分布式光伏發電裝機容量達8GW，並且新一輪電力體制改革力推分布式能源。

　　中央發布的《關於進一步深化電力體制改革的若干意見》（中發[2015]第9號）明確規定「允許擁有分布式電源的用戶或微網參與電力交易」，「全面開放用戶側分布式電源市場，積極開展分布式電源項目的各類試點和示範」，可以預見分布式發電將擁有更廣闊的發展空間。然而可再生能源發電的特性對系統的電壓穩定、可靠性和電能質量將產生影響。

　　針對該問題，當前儲能技術在可再生能源發電領域中的重要補充作用已基本得到業內認可，利用儲能系統的雙向功率能力和靈活調節特性可以提高系統對分布式電源的接納能力。隨著儲能技術日益成熟、成本不斷降低，以及未來智能配電網的發展，其在促進分布式電源消納領域將擁有更廣闊的應用前景。

　　本文首先介紹了儲能本體技術的特點及發展現狀，歸納了儲能在促進分布式可再生能源消納方面的應用情況，並從應用技術、評估技術和本體技術層面對其未來發展方向進行了探討。

　　1 儲能技術的特點及發展現狀

　　儲能技術包含本體技術與應用技術，本體技術是儲能技術的基礎。儲能本體形式按照能量儲存形式，可以分為機械儲能、電磁儲能、化學儲能和相變儲能。化學儲能目前來看主要有電化學儲能、氫儲能等；電化學儲能又包括鋰離子電池、液流電池、鉛酸電池、鈉硫電池等典型的二次電池體系，以及新興的二次電池體系（鈉離子電池、鋰硫電池、鋰空氣電池等）。

　　對於電力系統應用而言，儲能系統的基本技術特徵體現在功率等級及其作用時間上，儲能的作用時間是區別於電力系統傳統即發即用設備的顯著標誌，是儲能技術價值的重要體現，是特有的技術特徵。儲能所擁有的這一獨特技術特徵將改變現有電力系統供需瞬時平衡的傳統模式，在能源革命中發揮重要作用。

　　儲能技術在電力系統的應用涉及發輸配用各個環節，在促進集中式和分布式可再生能源消納領域的應用已備受關注。其中在集中式可再生能源領域應用的項目數、裝機容量佔比均最大，增長態勢最明顯，在分布式可再生能源領域應用的項目數佔比增長速率較快。

　　據不完全統計，近10年來全球MW級以上規模的儲能示範工程約190個，其中超過120個與電化學儲能相關，主要儲能類型項目數佔比如圖1所示。這些項目均以電池作為主要裝置載體，採用的電池類型包括鈉硫、液流、鋰離子、鉛酸等，國際上各示範工程對儲能本體的選型表明現階段電化學儲能的技術基礎積累優於其他類型的儲能技術。

　　從電化學儲能裝機容量方面分析，MW級儲能項目中主要類型儲能總裝機增長趨勢如圖2所示。圖2顯示：鋰離子電池儲能前期裝機容量小，自2012年後，其裝機容量得到大幅提升，在電池儲能中位列最高。鉛酸電池自2012年後處於停滯狀態，鈉硫裝機容量在2011年之後位居第一，之後增長緩慢。

　　從圖2中可看出，在電化學儲能示範項目中，以鋰離子電池儲能示範項目數、裝機容量佔比最高，達48%，增長幅度也最快，可以預見鋰離子電池仍將是應用最廣的電化學儲能技術。

圖1主要儲能類型項目數佔比

圖2MW級儲能項目中主要類型儲能總裝機增長趨勢

　　目前，各種儲能的技術發展水平各有不同，在集成功率等級、持續放電時間、能量轉換效率、循環壽命、功率/能量密度及成本等方面均有差異。

　　2 分布式可再生能源領域中的儲能應用現狀

　　分布式電源的接入促進了電能與其他能源的融合和轉換，促進了多種能源的互補和高效利用。電力、天然氣、熱能、氫能、生物質能等多種一次和二次能源將在用戶側得到綜合利用，聯合提供用戶所需的終端用能服務。

　　而分布式電源的接入使配電網變成有源電網，對配電網規劃、併網管理、運行、經營服務等提出了很大的挑戰。主動配電網（ActiveDistributionNetwork,ADN）有機整合先進信息通信、電力電子及智能控制等技術，為實現分布式可再生能源大規模併網與高效利用提供了一種有效解決方案。而儲能技術作為主動配電網的必要環節，通過與分布式電源一同併入電網，對電網起到支撐作用，圖3為儲能技術促進分布式發電併網的典型拓撲結構。

　　在促進分布式可再生能源發電靈活接入和高效利用中的作用主要有：①抑制分布式電源的功率波動，減少分布式電源對用戶電能質量的影響；②為未來可能出現的直流配電網及直流用電設備的應用提供支持；③增強配電網潮流、電壓控制及自恢復能力，提高配電網對分布式發電的接納能力；④提供時空功率和能量調節能力，提高配電設施利用效率，優化資源配置。

圖3基於直流母線方式的分布式發電系統

　　微網將分布式發電裝置、負荷、儲能以及控制裝置有機結合接入中低壓配電系統中。既可與電網聯網運行，也可在電網故障或需要時與主網斷開單獨運行，是分布式可再生能源有效利用的重要形式。

　　圖4為典型的微網拓撲結構，包括微型燃氣輪機、風力發電機、光伏電池、燃料電池和蓄電池等多種微電源形式。

　　儲能是微電網中的必要元件，在微電網的運行管理中發揮如下重要作用：①實現微電網與電網聯絡線功率控制，滿足電網的管理要求；②作為主電源，維持微電網離網運行時電壓和頻率的穩定；③為微電網提供快速的功率支持，實現微電網併網和離網運行模式的靈活切換；④參與微電網能量優化管理，兼顧不同類型分布式電源及負荷的輸出特性，實現微電網經濟高效運行。

圖4經典微網拓撲結構

　　不同工況提出的儲能技術需求不同，應結合儲能本體的技術特點進行儲能選型。按照放電時間尺度劃分，儲能技術可分為功率型儲能和能量型儲能。功率型儲能適用於短時間內對功率需求較高的場合，如微電網離網運行時暫態支撐。能量型儲能適用於對能量需求較高的場合，如抑制分布式電源的功率波動、提升分布式能源匯聚效應等，見表1。

表1儲能技術劃分

　　國際上，美國、日本、歐洲很多國家和地區都在儲能提高分布式能源利用率、新型智能用電等方面展開了積極的示範，驗證了儲能在調峰、調頻、應急供電的作用。從國內的應用情況來看，示範應用場景主要包括用於新能源的併網發電、配電網的削峰填谷、分布式電源以及電能質量改善等。目前這些項目還處於儲能系統功能驗證的示範運行階段。

　　從國內外應用示範所展示或驗證的應用功能來看，儲能系統在融合分布式電源方面主要取得的成果包括以下幾個方面：

　　（1）儲能融合多能源接入能力應用。

　　國際上，日本、美國、韓國等利用儲能平滑風電場或光伏出力波動，抑制可再生發電爬坡率，提高可再生能源的利用率。韓國濟州島風/光/儲/柴聯合應用項目最具代表性，該項目配置了0.1MW/2h的全釩電池儲能系統，藉助儲能系統雙向功率調節能力實現了多能有效互補應用，提出了相應的協調控制策略，但能源類型相對較少，未能反映儲能技術在主網與微網互動中的作用。

　　在國內，位於舟山海島的風/光/儲/海/柴項目配置了多類型儲能系統，包括200kW/120F的超級電容器儲能與1MW/500kW˙h的鋰離子電池儲能。通過研究多類型儲能系統的協調控制策略實現平抑風光功率波動及負荷調平功能，提升了風電或光伏跟蹤日前調度計劃能力，但在應對多類型負荷及新型用電方式情況下的功能未展開示範驗證。

　　（2）儲能提高用戶新型用電能力應用。

　　國際上，美國、日本、法國等國示範項目使用戶有機會管理其電能消耗及預算，成為「生產消費者」或利用移動式儲能參與負荷用電管理。其中尤以美國夏威夷大學智能電網和能量存儲示範項目為最，其將1MW/1MW˙h鋰離子電池系統被安裝於變電站中，用以減少變壓器的高峰負荷。並實施分布式電源/儲能裝置/微網/不同特性用戶（含電動汽車等移動電力用戶）接入和統一監控，用以展示儲能系統在配網的協同調度，通過基於儲能相關的關鍵技術提高用戶新型用電能力。

　　在國內，最具代表性的為中新天津生態城，它利用儲能系統參與用電側電能管理，將負荷分為不可控負荷、可控負荷和可切負荷不同級別，並配以不同功率等級的儲能系統。將源-荷有機地整合在一起，使之變為電網中的一個可控單元，滿足不同用戶的特定需求。

　　通過儲能系統使負荷變為友好型用電負荷，提升了用電靈活互動能力，降低了大量分布式電源接入對配電網運行的複雜程度，提升了供電可靠性和供電質量。

　　（3）提升分布式能源匯聚效應能力應用。

　　國際上，美國、日本、義大利等國利用分布式儲能減少可再生能源發電引起的潮流變化，使變電站與上級電網進行可控的能量交換，或通過熱儲能為用戶提供供冷、供熱綜合服務。其中基於車網（VehicletoGrid,V2G）融合技術的理念，日本東京電力公司提出的「BESSSCADA」，對分布在配電網和用戶側的儲能單元進行集中的管理和控制。通過對大量儲能單元的統一管理和控制，形成大規模的儲能能力，但控制上還有欠缺，未充分體現雙向互動。

　　目前國內針對儲能匯聚效應的工程還未開展，在薛家島電動汽車工程示範中基於V2G理念做了類似的嘗試，配套建設的集中充電站可同時為360輛乘用車電池充電。在儲放功能上，可實現低谷時存儲電能，在用電高峰和緊急情況下向電網釋放電量，峰谷調節負荷7020kW，最大可達10520kW。但是切入點單一，缺乏基於能源互聯繫統層面的實現儲能匯聚效應的統一規劃和全面部署。

　　綜上所述，國內外示範工程中，接入新能源種類局限在1～2種，儲能主體以能量型居多，其中又以電化學儲能為主導。現有示範工程中儲能系統在提供電網輔助服務、平抑風電波動、實現風光多能互補、提高分布式系統供電可靠性等方面都得到了運用。

　　但兼具幾種功能的綜合演示鮮見報導，與能源網際網路概念結合不夠，未充分利用儲能的聚合效應和雙向調節能力，不能完全適應源-荷協同管理、終端用戶和電網的靈活互動，且儲能功能較為單一。

　　局限在單純的新能源接入、參與新型用戶用電、分散式能源匯聚等各種單項技術進行研究和工程示範，鮮有在一個區域中進行集成多種分布式能源和多種儲能技術，並且對其能源的管理，缺乏自上而下的總體設計。

　　國內與國外相比，雖在儲能本體的原創技術上總體落後於國外發達國家，但在儲能應用技術特別是化學電池儲能示範應用方面處於國際先進水平。「十二五」期間由國家電網公司主導，在儲能領域取得了顯著成績，建成了天津生態城綜合示範、上海世博園、張北風光儲綜合示範工程等具有影響力的項目。

　　但這些技術也只是一個區域內實施了單項技術，缺少系統性的多種能源接入與分布式儲能應用技術的集成。

在技術推廣過程中也暴露出一些不足。

　　第一，我國能源網際網路儲能基礎理論研究落後於應用技術研究，缺乏從第三次工業革命儲能支柱性角度進行頂層設計，多數應用利用已有經驗來指導工程設計，沒有形成系統化的理論體系做支撐。

　　第二，對分布式儲能關鍵控制技術的研究多以工程實用為導向，原理上的研究不夠深入，與信息物理融合技術的發展並不緊密。

　　第三，儲能關鍵裝置的研究應該以需求為導向，開發相應的儲能接入裝置，與能源網際網路結合的力度有待提升。

　　第四，儲能系統與能源網際網路系統智能用電的交互影響及作用方面，研究尚不充分。這些問題與不足都應在「十三五」期間加以重視。

　　3 儲能在分布式可再生能源領域中的發展趨勢

　　3.1本體技術選擇依據及對策

　　3.1.1評價要素

　　基於近幾年來關於儲能技術的研究工作，歸納出大容量儲能技術推廣應用的關鍵因素，並提出規模等級、技術水平、經濟成本以及技術形態這四項指標，用於判斷適於規模化發展的儲能技術類型。

　　未來廣泛用於電力系統的儲能技術，至少需要達到MW級、MW∙h級的規模，而對於現有技術發展水平來說，抽水蓄能、壓縮空氣儲能和電池儲能、熔融鹽蓄熱、氫儲能具備MW級或MW∙h級的規模，而飛輪、超導及超級電容器儲能很難達到MW∙h量級。

　　安全與可靠始終是電力系統運行的基本要求，MW級、MW∙h級規模的儲能系統將對安全與可靠性提出更高的要求。儲能系統的安全問題，與儲能系統本身的材料體系、結構布局以及系統設計中所考慮的安全措施等因素相關。

　　尤其對電池儲能系統而言，由於在應用過程中往往需要通過串並聯成組設計將電池單體組成電池模塊及電池系統才能滿足應用需求，所以電池系統內部各單體電池的性能一致性問題，也成為影響電池系統安全性與可靠性的又一個因素。

　　在技術水平方面，首先，轉換效率和循環壽命是兩個重要指標，它們影響儲能系統總成本。低效率會增加有效輸出能源的成本，低循環壽命因導致需要高頻率的設備更新而增加總成本。其次，在具體應用中，影響儲能系統比能量的儲能設備體積和質量也是考慮因素。體積能量密度影響佔地面積和空間，質量能量密度則反應了對設備載體的要求。

　　在經濟成本方面，現有電價機制和政策環境下，單就儲能技術的成本來講遠不能滿足商業應用的需求。以風電應用為例，配套的儲能設施單位kW投資成本幾乎都超出了風電的單位投資成本，同時大規模化的儲能系統還要考慮相應的運行維護成本。

　　因此，所關注的規模化推廣的儲能技術必須具備經濟前瞻性，也就是說應該具備大幅降價空間，或者從長時期來看具有一定顯性的經濟效益，否則很難推廣普及。

　　衡量一種儲能技術能否得到大規模推廣運用的第四項指標應是儲能系統能否以設備或工程形態（批量化、標準化生產，便於安裝、運行與維護）運用在電力系統中。在眾多儲能方式中，電池儲能是契合設備形態需求較好的儲能技術類型。

　　就目前儲能技術發展水平而言，實現在電力系統的大規模應用，期望儲能效率大於95%，充放電循環壽命超過10000次，儲能系統規模可達到10MW∙h以上，並具有較高的安全性。在上述基準下，當前各類儲能技術現狀如圖5所示。

　　從對比效果來看，各種儲能技術互有短板，距期望值有一定差距，其中鋰電池與應用指標差距最大的是壽命和成本，液流電池與應用指標差距最大的是效率和成本。

圖5儲能技術現狀雷達圖

　　在促進新能源消納領域，單一儲能配置，從技術角度可以實現儲能的多種功能應用。但是從經濟性角度，並非優化方案，需要在實際配置中考慮各類型儲能的工況適應性，採用多元複合儲能方案，使不同的儲能技術之間可以取長補短，以達到投資和運行成本最優。

　　到2020年，各項儲能技術發展期望如圖6所示。

圖6儲能技術發展期望雷達圖

　　3.1.2國內外發展路線

　　我國提出了在2020年之前，針對鋰離子電池、全釩液流電池等的研究方向、預期目標。日本NEDO[27]發布的關於鋰離子電池至2030年技術發展路線圖中，詳細說明了鋰離子電池在未來20年內的發展趨勢與技術指標，並明確列出研發時間節點，為我國相關電池技術的發展提供了良好的參考依據。

　　美國DOE於2010年底發布的關於儲能技術應用研究的最新報告中，也針對各種儲能技術，詳細提出在未來5～20年中的技術發展方向與投資成本目標等，並確定超級鉛酸與先進鉛酸電池、鋰離子電池、硫基電池、液流電池、功率型儲能電池以及金屬空氣電池、液金屬電池、鋰硫電池、先進壓縮空氣等作為其重點關注的儲能技術類型。

　　3.1.3本體技術攻關對策

　　目前儲能應用對本體技術的特徵需求（規模、壽命、安全、成本和效率）與目前的本體技術水平還有一定差距，儲能技術尚未得到廣泛應用。因此，一方面要提升現有本體技術水平，挖掘其技術潛力，逐步縮短與儲能應用需求之間的差距；另一方面要探索研究新型的儲能技術，關注發展前景好、技術潛力大、具有相對技術優勢的新型一代本體技術。

　　結合國內外現有儲能技術研究水平、國內外關於電池技術的發展規劃及資源條件等幾個方面的因素，應該將鋰離子電池作為重點攻關方向。重點關注並開展液流和鉛炭電池相關研究，積極關注並適時切入熔融鹽蓄熱和氫儲能，跟蹤並把握鈉硫電池、壓縮空氣、飛輪等技術的最新發展動態。

　　3.2應用技術

　　（1）儲能支撐多能源高效融合效應日益顯現。能源生產者、消費者和二者兼具的能源生產消費者，分層分散接入，種類繁多，構成城市能源區域網。能源管理和控制運行呈現出分散自治和集中協調相結合的模式。

　　（2）儲能系統功能由單一走向多元。儲能應用場景日益豐富，作用時間覆蓋從s級到h級，由單一功能向融合多能源+新型用電等多元複合功能過渡。緊湊型、模塊化和響應快是儲能裝置的發展方向。

　　（3）分布式儲能系統促進終端用戶用電方式多樣化。隨著用電需求多樣化，不同電壓等級下交直流用戶共存，通過儲能實現終端用戶供用電關係轉換、用能設備的能量緩衝、靈活互動以及智能交互是技術主流。

　　（4）分散式儲能系統匯聚效應進一步發揮。儲能系統匯聚效應在電動汽車V2G運行模式已得到初步顯現，隨著分散式儲能系統的規模化普及，在新能源接入、用戶互動等方面的聚合作用會逐步凸顯。

　　（5）動力電池梯次利用試點逐步展開。隨著動力電池篩選、重組技術、電池管理技術的進步及梯次利用電池的適應工況研究，退役動力電池在融合分布式可再生能源領域的作用將得到進一步發展。

　　4結論

　　伴隨清潔能源大量分散接入和終端用戶雙向互動，儲能系統的作用已開始由簡單的友好接入向以能源互聯為導向過渡，並傾向於基於高效協同管理統一規劃開展全面研究和技術示範。以儲能作為核心承載技術的多能互補、雙向互動一體化示範工程將全方位勾勒第三次工業革命的發展願景。